从物竞天择的进化看摩擦学的创新

从物竞天择的进化看摩擦学的创新

0边缘学科的同一摩擦是研究相对运动作用表面之间的摩擦、滑动和磨损，以及它们之间关系的理论和应用。自从1966年,英国H.PeterJost教授在著名的JOST报告中首次提出了摩擦学(Tribology)的概念以来,摩擦学得到了长足的发展,特别是近年来生物摩擦学与仿生摩擦学的研究已成为摩擦学领域的研究热点,并取得了显著的成就。1国外生物摩擦学的现状和发展1.1生物摩擦学的研究对象生物体在35亿年的物竞天择的进化过程中,为了适应生存环境,形成了许多优异的生物摩擦学特性,如人体关节液对关节的运动起到了润滑的作用;天然牙齿表面的釉质具有良好的耐磨性;荷叶的自清洁功能使其“出淤泥而不染”;土壤类动物(如蚯蚓)表面分泌的特殊液体,可以减小其在土壤中的运动阻力;壁虎、苍蝇等动物脚底板的超细绒毛结构具有极强的吸附和脱附能力;鸟类的翅膀形状和羽毛结构有利于减小飞行时的空气阻力;鲨鱼皮的特殊结构可以有效降低海水阻力;蛇类表皮的摩擦各向异性驱动蛇类呈S形蠕动;贝类生物的外壳具有杰出的力学性能;木材及竹材的特殊结构可以减小磨损,等等。这些生物特有的优异摩擦学特性引起了人们极大的研究兴趣,生物摩擦学作为摩擦学的一个重要分支,其研究对象正在从宏观向微观、从人体向其它生物体迅速扩展。英国Dowson和Wright教授于1973年提出了生物摩擦学(biotribology)的定义,指出凡是与生物系统相关的摩擦学问题都属于生物摩擦学的研究范畴。目前,生物摩擦学的研究对象主要包含生物体的内部器官和外部表皮组织两大部分,如图1所示。而生物摩擦学的研究内容主要集中于以下两方面:(1)研究天然生物系统内部器官和外部表皮组织特有的生物摩擦学性能,认识其摩擦、磨损和润滑机理,掌握生物体适应摩擦学的行为规律。其中对生物系统内部器官的摩擦学性能研究主要是针对人体展开的。如心脏和血管中血液的流动和冲蚀;天然牙齿的构造与磨损;滑液关节(包括髋关节、膝关节、踝关节、指关节、颞下颌关节等)的润滑机理;脊椎的受力变形;骨骼的多孔状结构与应力集中等。通过对这些天然生物内部器官的摩擦学性能的研究,为人工器官和生物材料的研制和应用指明了道路。而对生物系统外部表皮组织的研究最初主要集中于人体的皮肤、头发和眼睛。通过研究头发的表面形态以及摩擦性对头发的梳理性、顺滑性和美发护发品的适用性的影响,为研制优质洗发水、护发素奠定摩擦学基础。而研究眼睛的生物摩擦学行为对研制低摩擦系数、具有生物舒适性的隐形眼镜具有借鉴意义。此外,人体皮肤具有新陈代谢的特性,在摩擦过程中具有自我适应和自我修复能力。控制皮肤摩擦是降低手脚摩擦损伤、提高衣着舒适性和假肢适用性以及开发高品质护肤品的重要基础。近年来,有学者开始关注除人体以外其他生物表皮组织的摩擦学特性,如通过考察各种生物表皮的微观结构及其摩擦学性能,研究蛇类皮肤的耐磨性和疏水性;蚯蚓体表的润湿性及其减粘脱土机理;壁虎趾底刚毛的动态吸附性;荷叶表面的“自清洁效应”等。这些研究为开发具有优异摩擦学特性的仿生材料奠定了坚实的理论基础。(2)研究人工组织器官或生物替代材料的摩擦磨损机理和失效机制,以便采取相应对策和措施,延长其使用寿命。随着现代医学技术的飞速发展和人们生活水平的不断提高,人类对生命质量的要求也随之提高。目前,通过人造器官来替换人体由于病变或外伤致残缺损器官的技术已日趋成熟,然而这些具有生物摩擦副的人造器官的工作可靠性已成为它们在人体内服务寿命甚至是否危及生命的重要影响因素,如何掌握先进的生物摩擦学技术成为提高人工器官可靠性的关键技术。如通过对人工关节、人工心脏瓣膜及口腔修复材料的摩擦磨损性能和失效机制的研究,从其结构设计、材料制备、润滑设计、表面处理等方面寻找减小磨损的方法和途径,如图2所示。其中,以人工关节为主题的研究最为广泛,该研究为提高关节炎晚期、外伤致残或骨瘤切除病人的关节置换的工作可靠性和使用寿命创造了条件。1.2国外人体器官的应用和发展生物摩擦学是组织摩擦学、材料学、生物学、医学高度交叉融合的新型学科,对生物摩擦学的深入研究是科技造福人类的重要需求。然而,目前我国在生物摩擦学的基础研究和技术创新方面与国外相比尚有较大差距。例如,性能最好的人工关节、人工心脏、心脏瓣膜、人造皮肤等几乎全部从国外进口,不仅价格昂贵,增加了患者的经济负担,而且国外进口人造器官是根据国外人体特征设计的,是否完全适用于国人还值得商榷。作为摩擦学领域内一个正在迅速发展的重要分枝,生物摩擦学的研究不仅对保障人体健康和提高生命质量具有重要影响,而且为生物摩擦学的仿生奠定了不可或缺的理论基础。为此,大力开展以研制摩擦磨损低、病理反应小的人工器官为目标的生物摩擦学研究,实现生物材料的国产化,对我国生物材料民族工业的发展意义重大。今后的研究应主要从以下几个方面展开:(1)生物体内部器官及表皮组织摩擦机理及仿生摩擦学的研究;(2)生物材料摩擦磨损所致的分子生物学及细胞生物学机制研究;(3)生物材料表面改性和生物相容性的关系;(4)人工器官的全寿命设计;(5)生物材料减摩耐磨措施;(6)新型生物材料的研制;(7)其它研究方向如临床实验的研究等。2水生摩擦学研究现状2.1仿生摩擦学的定义随着生物摩擦学研究的深入,以及医学、生物技术、材料科学的快速发展,人们萌生了利用仿生学原理,将天然生物系统的优异摩擦学特性进行移植、模仿,并为人类所利用的想法,从而促进了仿生摩擦学的产生和发展。仿生摩擦学(BionicTribology)是运用仿生学原理,通过对生物系统的减摩、抗黏附、增摩、抗磨损及高效润滑机理的研究,从几何、物理、材料及控制等角度借鉴生物系统的成功经验和创成规律,研究、发展和提升工程摩擦副的摩擦学性能。仿生摩擦学的基本思想是以具有优异摩擦学特性的天然生物体的结构、材料、性状、原理、行为以及相互作用为创新源泉,通过对天然生物系统的模拟进而创新的摩擦学技术系统或研制摩擦学新材料。目前,仿生摩擦学的研究多围绕以下内容展开:(1)b用减摩材料如根据荷叶及芋叶表面结构(如图3所示)的“自清洁效应”制造具有防污防水能力的人造材料(如纺织材料、建筑材料等)和减摩材料;模仿鲨鱼皮表面密布的盾形鳞片肋条结构(如图4所示)设计的鲨鱼皮泳衣和船舶表面能够有效减小水流摩擦阻力,目前该结构还被应用于飞机表面以降低空气阻力;模仿土壤动物体表的非光滑形态设计的矿山、工程和农业机械等地面触土机械部件,可有效降低土壤与触土部件之间的粘附力,提高地面机械的作业效率,降低能耗。(2)维滑钩刺装置如模仿甲虫、苍蝇、蜘蛛、壁虎等动物足底刚毛结构(如图5所示)制备的各种结构精细的人造刚毛阵列;模仿蟑螂脚部的细小倒钩刺结构制备的可在粗糙表面扣住凸缘实现爬壁的倒钩刺装置;模仿雄龙虱脚部的吸盘结构制备的真空吸盘足等,这些结构可用于三维无障碍运动机器人的脚掌,使其在任意表面快速稳定地运动;模仿甲虫鞘翅的锁合结构设计的航空连接方式,如发动机的叶片和轮盘的连接,该连接方式具有接触面积大且有类似拉链的自锁结构及易于打开的优点;根据猫和猎豹脚掌的防滑附着机制,设计的轮胎能有效增加与地面的摩擦力等。(3)仿生非织造材料如模仿蜣螂、蝼蛄等非光滑体表形态(如图6所示)设计的仿生非光滑制动盘(毂)和制动闸片等具有良好的耐磨性能;模仿蚯蚓体表的背孔结构设计的通孔型仿生非光滑表面(如图7所示)可提高部件的耐磨性;模拟蜥蜴非光滑表皮结构制成的圆形凹坑型表面具有良好耐冲蚀磨损特性等。(4)仿生通孔型试件的润湿性如根据天然生物关节润滑机理开发的新型人工关节仿生润滑系统;基于蚯蚓体表润滑特性制备的仿生通孔型试件具有良好的润湿性。尤其是基于人体汗腺的特殊结构和排汗原理,开发的高温发汗自润滑材料(如图8所示)在极限高温重载工况下具有良好的润滑功能。2.2摩擦学的未来研究重点仿生摩擦学通过研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用,为摩擦学设计提供了新的思想、工作原理和系统构成,目前已成为摩擦学的发展前沿。在今后相当长的时期内,我们应密切关注以下几方面的工作:(1)评价揭示生物体特有优异摩擦性能的生物物理本质;(2)确立仿生对象的选择原则;(3)研究生物体表面织构与生物材料性能拓扑的规律性及其创成技术;(4)基于仿生对象及其生存环境的多样性,创新出针对不同生物体的测试方法和测试仪器等。3仿生摩擦学应用从工程角度讲,生物摩擦学与仿生摩擦学是密不可分的,它们既有交叉又存在明显的区别。生物摩擦学是以生物系统的摩擦问题为核心,面向生物体的生存、生理和生长相关的研究,如探寻人造器官置换、疾病成因、人造器官磨损、运动行为及结构特征等;而仿生摩擦学以仿生应用为前提,运用摩擦学的理论和方法分析生物运动过程的接触、摩擦、磨损和润滑等结构原理和材料特性,并将其基本理念转化为仿生结构或新材料的研究开发,侧重仿生结果,以期解决实际工程问题。这两个学科从不同的研究目的出发研究相同的载体——生物体;生物摩擦学是为了解决生物体的运动机理、疾病的诊断和治疗等问题研究生物体结构之间的摩擦问题;而仿生摩擦学是为了解决工程中的问题向生物学习,从中取其精髓和灵感。作为仿生摩擦学研究的基础,生物摩擦学运用摩擦学的理论或成果,全面准确地揭示出生物特征内在的本质问题,并将